一种生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法与流程

1.本发明属于农村配电网与园区型综合能源系统协调运行控制领域，具体涉及一种农村配电网与生物质能综合能源系统协调运行控制方法。


背景技术：

2.生物质能综合能源系统主要包含光伏、分布式风电、沼气发酵池、沼气用燃气轮机联供系统、储能系统、沼气锅炉等。目前，随着综合能源技术的发展和园区型综合能源系统示范项目的增多，如何使配电网和园区型综合能源系统协调运行，最大化消纳和利用可再生能源，提高整个系统的运行经济性，成为广大科研工作者需要急切解决的问题。
3.虽然，现有技术对微电网与配电网协调运行的研究较多，但未能充分考虑电能、热能和生物质能的综合利用。如2020年太阳能学报刊发、作者孟润泉等人的“混合微电网与配电网间的串联环节及其控制”一文中，研究了交直流混合微电网对配电网的故障穿越能力和电能质量问题。
4.考虑到目前对风-光-生物质能综合利用的农业园区型综合能源系统与农村配电网协调运行的研究较少，无法有效实现农业园区型综合能源系统与农村配电网的协调经济安全运行的问题，因此，有必要对配电网和园区型综合能源系统协调运行进行深入探索。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术不足，提出一种生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，目的是有效实现农业园区型综合能源系统与农村配电网的协调经济安全运行。
6.本发明采用的技术方案：
7.一种生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，其实现过程如下：
8.1)建立农村配电网层优化模型，目标函数为网损和调度成本最小；
9.2)建立生物质能综合能源系统优化模型，目标函数为日综合运行费用最低；
10.3)在前述基础上，进一步建立农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型；所述双层优化模型上层为农村配电网优化模型，下层为生物质能综合能源系统优化模型，上、下层之间以联络线进行功率交互；
11.4)对建立的农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型采用改进布谷鸟算法求解，实现农村配电网和生物质能综合能源系统的协调运行。
12.本发明通过建立农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型，对农村配电网和生物质能综合能源系统进行协调调度。由于所建立的模型具有非线性，多约束，多变量的特点，因此采用改进布谷鸟算法进行求解，实现农村配电网和生物质能综合能源系统的协调运行。所述农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型，上层为农村配电网模型，目标函数为网损和调度成本最小。下层为生物质能综合能源系统模型，目标函数为日综合运行费用最低，上下层之间以联络线进行功率交互。
13.1、农村配电网层优化模型
14.1.1目标函数
15.配电网的目标函数为如下：
[0016][0017]
式中，f1为配电网的网损和调度成本；a
pv
为光伏上网电价,单位为元/kw
·
h；a
wt
为风电上网电价,单位为元/kw
·
h；a
ipb
为生物质能综合能源系统购电电价,单位为元/kw
·
h；a
ips
为生物质能综合能源系统售电电价,单位为元/kw
·
h；p
pv
(t)为光伏发电有功功率,单位为kw；p
wt
(t)为风电有功功率,单位为kw；p
ip
(t)为农村配电网与生物质能综合能源系统联络线有功功率,单位为kw；p
ni
(t)为配电网的网损有功功率,单位为kw。
[0018]
1.2约束条件
[0019]
1)功率平衡条件
[0020][0021]
式中，p
load
(t)为配电网在t时刻的负荷有功功率,单位为kw；q
pv
(t)为光伏的无功功率,单位为kvar；q
wt
(t)为风电无功功率,单位为kvar；q
ip
(t)为为农村配电网与生物质能综合能源系统联络线无功功率,单位为kvar；q
ni
(t)为配电网的网损无功功率,单位为kvar；q
load
(t)配电网在t时刻的负荷无功功率,单位为kvar。
[0022]
2)潮流方程等式约束
[0023][0024]
式中，pi为节点i的注入有功功率,单位为kw；qi为节点i注入的无功功率,单位为kvar；ui和uj为节点i和j的电压幅值,单位为kv；g
ij
为节点i和j之间的电导；b
ij
为节点i和j之间的电纳；θ
ij
为节点i和j之间的相角差；n为配电网的节点数。
[0025]
3)联络线功率交换约束
[0026][0027]
式中，和为联络线有功功率的最小值和最大值,单位为kw；和为联络线无功功率的最小值和最大值,单位为kvar。
[0028]
4)光伏发电和风电功率约束
[0029]
[0030]
式中，和为光伏发电有功功率的最大值和最小值,单位为kw；和为风电有功功率最大值和最小值,单位为kw；和为光伏发电无功功率最大值和最小值,单位为kvar；和为风电无功功率最大值和最小值,单位为kvar。
[0031]
5)节点电压约束
[0032][0033]
式中，和为节点电压的最小值和最大值,单位为kv。
[0034]
2、生物质能综合能源系统优化模型
[0035]
2.1目标函数
[0036]
生物质能综合能源系统的日综合运行费用包括供能和储能设备维护费用、联络线功率交互费用和燃料费用，供能和储能设备包括综合能源系统内部分布式光伏、风电、沼气发酵池、沼气用燃气轮机联供系统、储能系统、沼气锅炉等，其目标函数如下：
[0037][0038]
式中，f2为生物质能综合能源系统的日综合运行费用，单位为元；ci为第i种供能和储能设备的维护费用,单位为元/kw
·
h；pi(t)为第i种供能和储能设备的功率,单位为kw；c
gas
为沼气的购置价格,单位为元/kw；p
gas
(t)为沼气的购置功率,单位为kw；
[0039]
2.2约束条件
[0040]
1)生物质能综合能源系统热电功率平衡约束
[0041][0042]
式中，p
hchp
(t)为沼气用燃气轮机联供系统的供热功率,单位为kw；p
gb
(t)为沼气锅炉供热功率；p
hstor
(t)为热储能罐的蓄热或放热功率(放热为正，蓄热为负),单位为kw；p
heatload
(t)为系统热负荷,单位为kw；p
chp
(t)为沼气用燃气轮机联供系统的供电功率,单位为kw；p
pvi
(t)为综合能源系统内部光伏发电功率,单位为kw；p
wti
(t)为综合能源系统内部风力发电功率,单位为kw；p
electriload
(t)为系统电负荷,单位为kw；p
estor
(t)为蓄电池的充电和放电功率(放电为正，蓄电为负)，单位为kw。
[0043]
2)蓄电池和热储能罐约束
[0044]
由于蓄电池、冷热储能罐在微能网中都起削峰填谷的作用，工作原理相似，所以其通用约束如下：
[0045]emin
≤e(0)＝e(t)≤e
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0046][0047]
式中e(t)为在t时刻蓄电池和热储能罐的容量,kw
·
h；e
min
、e
max
为蓄电池和热储能罐的容量最大值、最小值,kw
·
h；p
stor
(t)为蓄电池和热储能罐功率统一表述，单位为kw；p
dis
(t)和p
ch
(t)为蓄电池和热储能罐放能和蓄能功率，单位为kw；为蓄电池和热
储能罐最大蓄能和放能功率，单位为kw。
[0048]
3)各微源功率限值约束
[0049][0050]
式中，和为光伏发电功率最大值和最小值,kw；和为风力发电功率最大值和最小值,kw；和为沼气用微型燃气轮机联供系统功率最大值和最小值,kw；和为沼气锅炉功率最大值和最小值,kw。
[0051]
3、农村配电网与生物质能综合能源系统协调运行模型求解方法
[0052]
由于所建立的双层优化模型具有非线性，多约束，多变量的特点，因此采用改进布谷鸟算法进行求解，对cs算法的步长进行调整，算法运行初期采用较大的步长，避免过早陷入局部最优，随着迭代次数的増加动态缩小步长，进化后期能够快速收敛到最优解，最终得出优化控制方案，实现农村配电网和生物质能综合能源系统的协调运行。
[0053]
本发明的有益效果：
[0054]
1、本发明生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，通过建立农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型，然后采用改进cs算法对农村配电网和生物质能综合能源系统进行协调调度，可以有效实现农业园区型综合能源系统与农村配电网的协调经济安全运行。由于所建立的模型具有非线性，多约束，多变量的特点，因此采用改进布谷鸟算法进行求解，实现农村配电网和生物质能综合能源系统的协调运行。
[0055]
2、本发明生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，通过采用改进cs算法使配电网调度成本、生物质能综合能源系统成本和总成本均有明显下降，应用例以ieee33节点配电系统为算例，对所提模型和算法进行验证，所得配电网调度成本、生物质能综合能源系统成本和总成本较前两种方式分别降低3.1％和0.7％、8.8％和1.2％、12.9％和9.1％，证明了本发明的协调运行控制方法的经济性和有效性。
具体实施方式
[0056]
为了使本发明的技术构思及优点更加清楚，下面结合实例对本发明的技术方案作进一步详细描述。应当理解的是，以下各实施例仅用以解释和说明本发明的优选实施方式，不应当构成对本发明保护范围的限定。
[0057]
实施例1
[0058]
本发明的生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，包括如下步骤：
[0059]
1)建立农村配电网层优化模型，目标函数为网损和调度成本最小；
[0060]
2)建立生物质能综合能源系统优化模型，目标函数为日综合运行费用最低；
[0061]
3)在建立农村配电网层优化模型和生物质能综合能源系统优化模型的基础上，进一步建立农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型；所述双层优化模型上层为农
村配电网优化模型，下层为生物质能综合能源系统优化模型，上、下层之间以联络线进行功率交互；
[0062]
4)对建立的农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型采用改进布谷鸟算法求解，实现农村配电网和生物质能综合能源系统的协调运行。
[0063]
本发明通过建立农村配电网和生物质能综合能源系统双层优化模型，对农村配电网和生物质能综合能源系统进行协调调度。由于所建立的模型具有非线性、多约束、多变量的特点，因此采用改进布谷鸟算法进行优化求解，以实现农村配电网和生物质能综合能源系统的协调调度和经济运行。
[0064]
实施例2
[0065]
本实施例的生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，和实施例1的不同之处在于：进一步说明了对建立的生物质能综合能源系统与农村配电网协调优化模型采用改进布谷鸟算法求解的过程，以达到对农村配电网和生物质能综合能源系统进行协调调度的目的。
[0066]
布谷鸟算法(cuckoo search algorithm,cs)是由学者yang和deb在2009年提出来的一种智能仿生算法。该算法因具有参数少、易于实现、鲁棒性强等优点，成功解决了函数优化及工程优化等实际问题，引起了国内外众多学者的广泛关注。
[0067]
cs算法通过模拟属布谷鸟类的寄生育雏行为对目标空间进行随机搜索。该算法主要基于以下三项假定：
①
每只布谷鸟一次只产一枚卵，并随机选择鸟巢；
②
存放于最佳鸟巢的卵可孵化并生成新的一代；
③
被选择用来产卵的鸟巢数目是有限的，并被鸟巢主人以概率pa∈[0,1]发现后，布谷鸟卵被扔出鸟巢或鸟巢主人放弃该鸟巢并在另一地方重建新巢。该算法的基本流程为：
[0068]
(1)在解空间内随机生成l个鸟巢位置(即对应l个解)，根据设定的适应度函数计算每个鸟巢的适应度值，并保留最佳位置，其余进行迭代。
[0069]
(2)设当前迭代次数为k鸟巢编号为i的位置为其中，1≤i≤l，d为所解决问题的维数，除最优直接保留到下一代之外，其余进一步进行迭代，即
[0070]
x(k+1)＝x(k)+a
×
k-λ
,(1＜λ≤3)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0071]
式中，a＞0,为步长控制量，其大小主要由所解决问题的规模确定；k-λ
为服从l
é
vy规律的随机分布函数。
[0072]
(3)设鸟巢主人发现布谷鸟卵的概率为pa，随机生成服从均匀分布的正数r∈[0,1]，若r＞pa，则布谷鸟卵被扔出鸟巢或放弃该鸟巢重新生成新的鸟巢，否则保持不变。
[0073]
(4)判断是否达到设定迭代次数，否则返回(2)继续迭代更新，直到满足迭代条件。
[0074]
cs算法像其他群智能算法一样也存在容易陷入局部最优的问题。针对此问题，本发明将cs算法进行了如下改进：
[0075]
1)为了提高cs算法的性能，本发明为公式(12)引入权重系数s，通过引入权重系数拓展了cs算法的搜索空间，当权重系数s较大时，有利于算法跳出局部最优，进行全局寻优，当权重系数s较小时，有利于算法进行局部寻优，加速算法的收敛。
[0076]
[0077]
式中，s为权重系数，t为迭代次数。
[0078]
2)对cs算法的步长进行调整，算法运行初期采用较大的步长，避免过早陷入局部最优，随着迭代次数的増加动态缩小步长，进化后期能够快速收敛到最优解。
[0079][0080]
式中，step(t)为步长，t
max
为最大迭代次数。
[0081]
实施例3
[0082]
本发明的生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，建立了农村配电网与生物质能综合能源系统协调优化运行模型，所述协调优化模型为双层模型，上层为农村配电网模型，目标函数为网损和调度成本最小。下层为生物质能综合能源系统模型，目标函数为日综合运行费用最低，上下层之间以联络线进行功率交互。
[0083]
所述生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法，包括如下步骤：
[0084]
1、建立农村配电网层优化模型
[0085]
1.1目标函数
[0086]
配电网的目标函数为如下：
[0087][0088]
式中，f1(t)为配电网的网损和调度成本；a
pv
为光伏上网电价,单位为元/kw
·
h；a
wt
为风电上网电价,单位为元/kw
·
h；a
ipb
为生物质能综合能源系统购电电价,单位为元/kw
·
h；a
ips
为生物质能综合能源系统售电电价,单位为元/kw
·
h；p
pv
(t)为光伏发电有功功率,单位为kw；p
wt
(t)为风电有功功率,单位为kw；p
ip
(t)为农村配电网与生物质能综合能源系统联络线有功功率,单位为kw；p
ni
(t)为配电网的网损有功功率,单位为kw。
[0089]
1.2约束条件
[0090]
1)功率平衡条件
[0091][0092]
式中，p
load
(t)为配电网在t时刻的负荷有功功率,单位为kw；q
pv
(t)为光伏的无功功率,单位为kvar；q
wt
(t)为风电无功功率,单位为kvar；q
ip
(t)为为农村配电网与生物质能综合能源系统联络线无功功率,单位为kvar；q
ni
(t)为配电网的网损无功功率,单位为kvar；q
load
(t)配电网在t时刻的负荷无功功率,单位为kvar。
[0093]
2)潮流方程等式约束
[0094][0095]
式中，pi为节点i的注入有功功率,单位为kw；qi为节点i注入的无功功率,单位为kvar；ui和uj为节点i和j的电压幅值,单位为kv；g
ij
为节点i和j之间的电导；b
ij
为节点i和j之间的电纳；θ
ij
为节点i和j之间的相角差；n为配电网的节点数。
[0096]
3)联络线功率交换约束
[0097][0098]
式中，和为联络线有功功率的最小值和最大值,单位为kw；和为联络线无功功率的最小值和最大值,单位为kw。
[0099]
4)光伏发电和风电功率约束
[0100][0101]
式中，和为光伏发电有功功率的最大值和最小值,单位为kw；和为风电有功功率最大值和最小值,单位为kw；和为光伏发电无功功率最大值和最小值,单位为kw；和为风电无功功率最大值和最小值,单位为kw。
[0102]
5)节点电压约束
[0103][0104]
式中，和为节点电压的最小值和最大值,单位为kv。
[0105]
2、建立生物质能综合能源系统优化模型
[0106]
2.1目标函数
[0107]
生物质能综合能源系统的日综合运行费用包括供能和储能设备维护费用、联络线功率交互费用和燃料费用，供能和储能设备包括综合能源系统内部分布式光伏、风电、沼气发酵池、沼气用燃气轮机联供系统、储能系统、沼气锅炉等，其目标函数如下：
[0108][0109]
式中，f2为生物质能综合能源系统的日综合运行费用，单位为元；ci为第i种供能和储能设备的维护费用,单位为元/kw
·
h；pi(t)为第i种供能和储能设备的功率,单位为kw；c
gas
为沼气的购置价格,单位为元/kw；p
gas
(t)为沼气的购置功率,单位为kw。
[0110]
2.2约束条件
[0111]
1)生物质能综合能源系统热电功率平衡约束
[0112][0113]
式中，p
hchp
(t)为沼气用燃气轮机联供系统的供热功率，单位为kw；p
gb
(t)为沼气锅炉供热功率，单位为kw；p
hstor
(t)为热储能罐的蓄热或放热功率(放热为正，蓄热为负)，单位为kw；p
heatload
(t)为系统热负荷，单位为kw；p
chp
(t)为沼气用燃气轮机联供系统的供电功率，单位为kw；p
pvi
(t)为综合能源系统内部光伏发电功率，单位为kw；p
wti
(t)为综合能源系统内部风力发电功率，单位为kw；p
electriload
(t)为系统电负荷，单位为kw。p
estor
(t)为蓄电池的充
电和放电功率(放电为正，蓄电为负)，单位为kw。
[0114]
2)蓄电池和热储能罐约束
[0115]
由于蓄电池、冷热储能罐在微能网中都起削峰填谷的作用，工作原理相似，所以其通用约束如下：
[0116]emin
≤e(0)＝e(t)≤e
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0117][0118]
式中e(t)，为在t时刻蓄电池和热储能罐的容量，单位为kw
·
h；e
min
、e
max
为蓄电池和热储能罐的容量最大值、最小值,单位为kw
·
h；p
stor
(t)为蓄电池和热储能罐功率统一表述，单位为kw；p
dis
(t)和p
ch
(t)为蓄电池和热储能罐放能和蓄能功率，单位为kw；为蓄电池和热储能罐最大蓄能和放能功率，单位为kw。
[0119]
3)各微源功率限值约束
[0120][0121]
式中，和为光伏发电功率最大值和最小值,单位为kw；和为风力发电功率最大值和最小值,单位为kw；和为沼气用微型燃气轮机联供系统功率最大值和最小值,单位为kw；和为沼气锅炉功率最大值和最小值,单位为kw。
[0122]
3、农村配电网与生物质能综合能源系统协调运行模型求解方法
[0123]
农村配电网与生物质能综合能源系统协调运行模型采用改进布谷鸟算法求解。通过改进布谷鸟算法求解的过程同实施例2。
[0124]
应用实例 算例分析及仿真结果
[0125]
以ieee33节点配电系统为算例，对本发明的生物质能综合能源系统与农村配电网协调运行控制方法(所提的模型和算法)进行验证：
[0126]
风电安装在系统节点7和16，最大接入功率300kw。光伏安装在系统节点13和26，最大接入功率500kw。节点23接入生物质能综合能源系统，与配电网交换功率最大值为1500kw。电价采用峰谷电价，峰时段(08:00-11:00，18:00-23:00)购电电价为0.76元/kw
·
h-1
；平时段(07:00-08:00，11:00-18:00)购电电价为0.51元/kw
·
h-1
；谷时段(23:00-24:00，00:00-07:00)购电电价为0.2610元/kw
·
h-1
；售电电价为0.65元/kw
·
h-1
。
[0127]
生物质能综合能源系统的设备参数如表1所示。
[0128]
表1生物质能综合能源系统的各设备参数
[0129][0130]
表2采用三种不同算法得到的农村配电网的日运行成本
[0131][0132]
表2中采用粒子群算法、cs算法和改进cs算法对农村配电网与生物质能综合能源系统协调运行模型进行求解验证，模型采用matlab仿真软件进行搭建，仿真结果表明，采用改进cs算法对农村配电网和生物质能综合能源系统进行协调调度，配电网调度成本、生物质能综合能源系统成本和总成本均有明显下降，采用改进cs算法所得配电网调度成本、生物质能综合能源系统成本和总成本较前两种方式分别降低了3.1％和0.7％、8.8％和1.2％、12.9％和9.1％；证明了本发明的控制方法的经济性和有效性。